FR2487954A1

FR2487954A1 - Heat pump for central heating - has top of buried vertical tube immersed in water tank and connected to air heat exchanger

Info

Publication number: FR2487954A1
Application number: FR8016650A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-07-29
Filing date: 1980-07-29
Publication date: 1982-02-05

Abstract

The heat pump for supplying heat to a building uses a tube inserted in a vertical bore hole adjacent to the building. At the top is a right angled bend with a set of fins projecting from the outside of the horizontal leg. This is immersed in a tank of water forming a heat exchanger, connected to the cold source of the heat pump. At the top of the tube is an enlarged part forming a heat exchanger, consisting of an insulated section enclosing a chamber round the top of the tube, and with inlet and outlet connections for the heat pump. This is followed by a heat exchanger with a rectangular housing with horizontal upper and lower compartments for the vertical finned heat exchanger tube. The fresh air entry is below the heated section and at one end is a counterbalanced air regulating flap.

Description

La présente invention concerne les dispositifs de chauffage géothermique par pompe à chaleur. The present invention relates to geothermal heating devices by heat pump.

Les dispositifs de chauffage connus de ce genre peuvent être classés en deux catégories:les dispositifs requierant une consommation d'eau extérieure et ceux utilisant des circuits d'eau en boucle,enterrés dans le sol ou dans des réservoirs thermiques de capacité limitée. Known heating devices of this kind can be classified into two categories: devices requiring external water consumption and those using looped water circuits, buried in the ground or in thermal tanks of limited capacity.

Dans le premier cas il est nécessaire de pouvoir disposer d'une importante masse d'eau à proximité de la pompe à chaleur,un lac ou une rivière par exemple,ou plus généralement une nappe d'eau phréatique.Pour atteindre une telle nappe,on effectue un forage avec le risque qu'il soit infructueux dans le cas où les prévisions de couches géologiques se sont avérées fausses quant à la profondeur ou même l'existence de la nappe. In the first case, it is necessary to be able to have a large body of water near the heat pump, a lake or a river for example, or more generally a groundwater table. drilling is carried out with the risk that it will be unsuccessful in the event that the predictions of geological layers have turned out to be false as to the depth or even the existence of the aquifer.

Dans le deuxième cas,on enterre à faible profondeur un réseau de tuyauteries parcourues par une circulation d'eau qui vient alimenter en circuit fermé la source froide d'une pompe à chaleur. In the second case, a network of pipes is traversed at shallow depths traversed by a circulation of water which supplies the cold source of a heat pump in a closed circuit.

Ce dispositif,s'il supprime le problème de l'épuisement progressif de la réserve calorifique des nappes phréatiques et la réinjection de l'eau puisée dans le sous-sol, reste par contre soumis dans une certaine mesure aux variations climatiques et ne permet pas le soutirage des moyennes et grandes puissances. This device, if it eliminates the problem of the progressive exhaustion of the calorific reserve of the water tables and the reinjection of the water drawn from the subsoil, remains on the other hand subjected to a certain extent to climatic variations and does not allow the withdrawal of medium and large powers.

Le dispositif de chauffage,objet de la présente invention qui est caractérisée par la combinaison d'un tube à chaleur enterré aboutissant à un échangeur en relation avec une pompe à chaleur, permet d'éviter ces inconvénients. The heating device, object of the present invention which is characterized by the combination of a buried heat tube leading to an exchanger in connection with a heat pump, makes it possible to avoid these drawbacks.

Description du dispositif
Rappelons tout d'abord qu'un tube à chaleur est un conducteur calorifique qui transporte les calories d'une extrémité à l'autres
Pour ce faire,le tube,hermétiquement fermé aux deux bouts,contient partiellement un liquide,qui,s'il est mis en ébullition dans la parte inférieure (le tube n'étant pas en position horizontale),se vaporise et se condense à la partie supérieure en cédant les calories transportées par le gaz.Description of the device
First of all, remember that a heat tube is a heat conductor that transports calories from one end to the other
To do this, the tube, hermetically closed at both ends, partially contains a liquid, which, if boiled in the lower part (the tube not being in a horizontal position), vaporizes and condenses on the upper part by yielding the calories transported by the gas.

Le dispositif,objet de la présente invention ,est constitué par un tube à chaleur inséré dans un trou de forage , dont l'extrêmité supérieure7 située au niveau du sol,se trouve placée dans un réservoir d'eau échangeur de chaleur qui est destiné à transmettre les calories d'origine géothermique transportées par le tube à chaleur,à la source froide d'une pompe à chaleur. The device, object of the present invention, consists of a heat tube inserted into a borehole, the upper end of which 7 located at ground level, is placed in a heat exchanger water tank which is intended for transmit geothermal calories transported by the heat tube to the cold source of a heat pump.

La longueur et le diamètre du tube à chaleur sont déterminés en fonction de la puissance calorifique à transmettre et de l'écart de température entre la partie inférieure dite de prélèvement de chaleur et la partie supérieure dite de restitution de chaleur. The length and the diameter of the heat tube are determined as a function of the calorific power to be transmitted and of the temperature difference between the lower part called the heat removal and the upper part called the heat return.

Si on veut par exemple disposer d'une puissance maximum de 4 Kw/h ,le calcul montre qu'il faut utiliser un tube d'environ 50 mètres dé longueur et de 50 mm de diamètre,la température du soussol français étant en moyenne de 14,50c à une profondeur de -50 m. If we want for example to have a maximum power of 4 Kw / h, the calculation shows that it is necessary to use a tube about 50 meters long and 50 mm in diameter, the temperature of the French subsoil being on average of 14.50c at a depth of -50 m.

Le dispositif ainsi décrit peut comporter plusieurs variantes;
1) Variantes destinées à faciliter la mise en place du tube à à chaleur selon le dispositif.The device thus described may include several variants;
1) Variants intended to facilitate the installation of the heat tube according to the device.

On conçoit que la mise en place d'un tube à chaleur de grande longueur soulève des problèmes d'ordre pratique. It is understood that the installation of a very long heat tube raises practical problems.

Pour faciliter cette mise en place,la première variante consiste à insérer dans le trou de forage un tube à chaleur préfabriqué en atelier en un seul morceau et dans un materiau suffisament flexible pour qu'il puisse être enroulé autour d'un tambour mobile de grand diamêtre.Le tube à chaleur peut être ainsi transporté de l'atelier sur le chantier et inséré dans le trou de forage préparé pour le recevoir,en amenant le tambour au bord du trou,puis en déroulant le tube pour l'enfoncer. To facilitate this installation, the first variant consists in inserting a prefabricated workshop heat tube into the borehole in one piece and in a sufficiently flexible material so that it can be wound around a large mobile drum. The heat tube can thus be transported from the workshop to the site and inserted into the borehole prepared to receive it, bringing the drum to the edge of the hole, then unwinding the tube to push it in.

La deuxième variante consiste à utiliser le tube de forage lui-mAeme en le transformant en tube à chaleur.Cette variante est plus aisément réalisable lorsque le forage est réalisé au percuteur qutavec le trépanAu cours du forage,pendant la descente,les section de tube sont jointoyés de façon parfaitement étanche (en vissage/collage par exemple).A la pose du dernier élément,le liquide destiné au fonctionnement du tube à chaleur est versé au fond du tube,puis on fixe un bouchon étanche pour assurer la fermeture définitive de la partie supérieure.Ensuite les ailettes sont rapportées. The second variant consists in using the drilling tube itself by transforming it into a heat tube. This variant is more easily achievable when drilling is carried out with the striker than with the drill bit. During drilling, during the descent, the tube sections are grouted in a perfectly watertight manner (by screwing / gluing for example). When the last element is installed, the liquid intended for the operation of the heat tube is poured into the bottom of the tube, then a tight stopper is fixed to ensure the final closure of the upper part. Then the fins are attached.

L'opération reste la mime si on décide de remplacer le tube de forage par un autre tube livré par sections. The operation remains the same if we decide to replace the drill pipe with another pipe delivered in sections.

2) Variantes au dispositif pour le remplissage du tube à chaleur sur chantier
Pour le remplissage du tube sur chantier,un tube raccord est branché à la partie supérieure du tube à chaleur.Lors du remplissage le liquide doit être préalablement réfrigéré ou être injecté sous pression.Ensuite le tube raccord est fermé soit par une vanne soit par un bouchon vissé et/ou collé.2) Variants to the device for filling the heat tube on site
For filling the tube on site, a connection tube is connected to the upper part of the heat tube. When filling the liquid must be refrigerated beforehand or injected under pressure. Then the connection tube is closed either by a valve or by a screwed and / or glued cap.

3) Variantes au dispositif destinées à l'amélioration des échanges thermiques à la partie supérieure du tube à chaleur. 3) Variants to the device intended to improve the heat exchange at the top of the heat tube.

Afin de favoriser l'échange thermique,la partie supérieure du tube à chaleur est muni d'ailettes verticales. In order to promote heat exchange, the upper part of the heat tube is fitted with vertical fins.

Une deuxième solution consiste a positionner l'extrèmité supérieure du tube en position horizontale en le coudant.Cette position permet d'augmenter encore la surface d'échange,les ailettes en position verticale etant cette fois disposées perpendiculairement au tube,et leur nombre plus important pour la même longueur de tube que -dans la première solution. A second solution consists in positioning the upper end of the tube in a horizontal position by bending it. This position makes it possible to further increase the exchange surface, the fins in the vertical position being this time arranged perpendicular to the tube, and their number greater. for the same length of tube as in the first solution.

4) Variantes au dispositif concernant l'échangeur de chaleur
Pour les pompes à chaleur dont la source froide doit être alimentée par de l'eau,unevariante au réservoir d'eau consiste à équiper la partie supérieure (restitution de calories) du tube à chaleur,d'un manchon,hermetique, à double enveloppe isolé thermiquement.L'arrivée d'eau provenant de la source froide de la pompe à ~haleur,pénêtre dans L'enveloppe extérieure du manchon grace à un tuyau de raccordement fixée à son extremité supérieure.L'eau passe ensuite dans l'enveloppe intérieure par des ouvertures dans,aaopsmoi qui séparent les deux enveloppes,situées à l'opposé de l'arrivée et de la reprise d'eaupuis retourne à la source froide par l'intermédiaire d'un tuyau de raccordement(reprise d'eau).4) Variants to the device concerning the heat exchanger
For heat pumps whose cold source must be supplied with water, a variant of the water tank consists in equipping the upper part (return of calories) of the heat tube, with a sleeve, hermetic, with double jacket thermally insulated. The arrival of water from the cold source of the pump ~ hauler, penetrates into the outer casing of the sleeve thanks to a connection pipe attached to its upper end. The water then passes into the casing inside by openings in, aaopsmoi which separate the two envelopes, located opposite to the water inlet and outlet, then returns to the cold source via a connection pipe (water intake) .

Par rapport au réservoir d'eau,l'utilisation d'un tel manchon
offre l'avantage d'une pose plus rapide et moins onéreuse pour une efficacité comparable.Compared to the water tank, the use of such a sleeve
offers the advantage of a faster and less costly installation for comparable effectiveness.

Pour les pompes à chaleur dont la source froide doit être alimentée par de l'air,l'échangeur est constitué par un caisson
isolé thermiquement,comportant une ouverture de prise d'air extérieure protégée des intempéries,et une gaine de sortie d'air.L'a r extérieur est réchauffé lors de son passage sur la partie de restitution ailettée du tube à chaleur qui est intégré au caisson.For heat pumps whose cold source must be supplied with air, the exchanger consists of a box
thermally insulated, comprising an outside air intake opening protected from the weather, and an air outlet duct. The outside air is reheated during its passage over the finned return part of the heat tube which is integrated into the box.

Afin d'obtenir une température de sortie d'air constante et d'éviter un fonctionnement à puissance maximwn du tube à chaleur en mi-saison,donc un risque d'épuisement temporaire de la réserve calorifique exploitée,le caisson peut être muni d'une prise d'air additionnelle.Elle permet de mélanger de l'air frais à l'air déja réchauffé par le tube à chaleur selon un pourcentage dépendant de la température locale.Pour ce faire le débit d'entrée d'air provenant de la prise additionnelle est réglé par ùn volet.Ce volet est disposé de telle façon qu'il subisse d'une part une poussée tendant à l'ouvrir (soit par gravitation avec le poids d'une masse, soit par un ressort) et une traction d'un cable tendant à le fermer. In order to obtain a constant air outlet temperature and avoid operation at maximum power of the heat tube in mid-season, therefore a risk of temporary exhaustion of the heat reserve used, the box can be fitted with an additional air intake.It allows fresh air to be mixed with the air already heated by the heat tube according to a percentage depending on the local temperature.To do this, the air intake flow from the additional grip is regulated by a shutter. This shutter is arranged in such a way that it undergoes on the one hand a push tending to open it (either by gravitation with the weight of a mass, or by a spring) and a traction a cable tending to close it.

Ce cable qui est situé dans le caisson,relie le volet à un-bouton de réglage manuel,manipulable de l'extérieur.Ainsi si la température monte,le cable se dilate et le volet s'ouvre.Par contre si la tempé- baisse,la prise d'air additionnelle se fermera.This cable, which is located in the box, connects the shutter to a manual adjustment button, which can be operated from the outside. So if the temperature rises, the cable expands and the shutter opens. On the other hand, if the temperature drops , the additional air intake will close.

Tout autre système classique de réglage thermique des débits est applicable au présent caisson. Any other conventional thermal flow adjustment system is applicable to this box.

Présentation des dessins
1) Le premier dessin 1/l montre un vue en coupe du dispositif de chauffage géothermique par pompe à chaleur avec l'utilisation d'un tube à chaleur,objet de la présente invention.Presentation of the drawings
1) The first drawing 1 / l shows a sectional view of the geothermal heating device by heat pump with the use of a heat tube, object of the present invention.

Tel qu'il est représenté le dispositif comporte un tube à chaleur vertical (1),installé à l'intérieur d'un trou de forage.la partie supérieure (2),coudée en position horizontale et équipée d'ailettes de refroidissement,est plongée dans un réservoir d'eau (3) échangeur de chaleur qui est branché sur la source froide (4) d'une pompe à chaleur. As shown, the device comprises a vertical heat tube (1), installed inside a borehole. The upper part (2), bent in a horizontal position and fitted with cooling fins, is immersion in a heat exchanger water tank (3) which is connected to the cold source (4) of a heat pump.

2) Le deuxième dessin > * qui détaille la partie supérieure du tube à chaleur comporte deux figures. 2) The second drawing> * which details the upper part of the heat tube has two figures.

La figure 1 montre 1' extrémité supérieure du tube à chaleur en position horizontale avec ses ailettes (1),1e coude d'angle horizontal/vertical (2),et le tube raccord de remplissage pour la mise en fonctionnement du tube à chaleur. FIG. 1 shows the upper end of the heat tube in a horizontal position with its fins (1), the horizontal / vertical angle bend (2), and the filling connection tube for putting the heat tube into operation.

La figure 2 montre l'extremité supérieure en position verticale avec ses ailettes (4) et le tube raccord (5) de remplissage pour la mise en fonctionnement du tube à chaleur. FIG. 2 shows the upper end in a vertical position with its fins (4) and the filling connection tube (5) for putting the heat tube into operation.

3) Le troisième dessin 3,/* représente le manchon échangeur de chaleur à double enveloppe qui s'adapte sur la partie supérieure du tube (restitution de calories).Il comporte deux figures. 3) The third drawing 3, / * represents the double-shell heat exchanger sleeve which fits on the upper part of the tube (calorie return). It has two figures.

La figure 1 montre le manchon en coupe horizontale.Sur la figure 2 le manchon est présenté en coupe verticale.Sur ces figures se trouvent indiqués:le tube raccord d'arrivée d'eau noté(1) sur la figure 1 et (12) sur la figure 2,1'isolant thermique noté (2) sur la figure .1 et (7) sur la figure 2,la paroi de séparation de double enveloppe interne du manchon notée (3) sur la figure 1 et (8) sur la figure 2 ,le tube à chaleur lui-même noté (4) sur la figure 1 et (9) sur la figure 2,les ailettes du tube à chaleur notées (6) sur la figure 1 eut(10) sur la figure 2,puis enfin le tube raccord de reprise d'eau en relation avec la source froide de la pompe à chaleur noté (5) sur la figure 1 et (13) sur la figure 2.Le passage de circulation d'eau entre ltenveloppe extérieure et l'enveloppe intérieure est noté (11) sur la figure 2. Figure 1 shows the sleeve in horizontal section.In Figure 2 the sleeve is presented in vertical section.In these figures are indicated: the water inlet connection tube noted (1) in Figure 1 and (12) in FIG. 2,1 thermal insulator noted (2) in FIG. 1 and (7) in FIG. 2, the partition wall of the inner double envelope of the sleeve noted (3) in FIG. 1 and (8) in Figure 2, the heat tube itself noted (4) in Figure 1 and (9) in Figure 2, the fins of the heat tube noted (6) in Figure 1 (10) in Figure 2 , then finally the water return connection tube in relation to the cold source of the heat pump noted (5) in Figure 1 and (13) in Figure 2. The water circulation passage between the outer envelope and the inner envelope is noted (11) in FIG. 2.

4) Le dernier dessin 4/4 concerne le caisson d'air,échangeur de chaleur,avec son entrée d'air frais extérieur noté (A) sur les figures 1 et 2,la sortie d'air réchauffé avec sa gaine notée (B),la prise d'air additionnelle notée (C) et la partie supérieure du tube à chaleur muni de ses ailettes (D),ceci sur les deux figures 1 et 2. 4) The last drawing 4/4 concerns the air box, heat exchanger, with its outside fresh air inlet noted (A) in Figures 1 and 2, the heated air outlet with its duct noted (B ), the additional air intake noted (C) and the upper part of the heat tube fitted with its fins (D), this in the two figures 1 and 2.

Le détail d'un système de réglage automatique par gravite du débit d'air additionnel est montré par la figure 2,avec le volet équipé d'une masselotte (1),le cable de fermeture (2) situé à l'intérieur du caisson et attaché au bouton de réglage (3) équipé dun contreecrou de blocage et manipulable de l'extérieur du caisson. The detail of an automatic gravity adjustment system for the additional air flow is shown in Figure 2, with the flap fitted with a counterweight (1), the closing cable (2) located inside the box. and attached to the adjustment knob (3) equipped with a locking locknut that can be manipulated from outside the box.

Applications
Le dispositif,objet de l'invention,et les variantes décrites qui lui sont applicables,peut être mis en place quelque soit la structure géologique du sous-sol.Les applications les plus intéressantes concerne le chauffage de batiments et de serres n'étant pas situés au bord d'un lac ou d'un cours d'eau et ne disposant dans le sous-sol de leur implantation d'une nappe d'eau phréatique proche tie la surface. Applications
The device, object of the invention, and the variants described which are applicable to it, can be implemented whatever the geological structure of the subsoil. The most interesting applications concern the heating of buildings and greenhouses not being located at the edge of a lake or a watercourse and not having in the basement of their establishment a groundwater table close to the surface.

Claims

REVEDIDICATIOìiSREVEDIDICATIOìiS

1. Dispositif de chauffage caractérisé par la combinaison d'un tube à chaleur-enterré,aboutissant à un échangeur en relation avec une pompe à chaleur. 1. Heating device characterized by the combination of a heat-buried tube, leading to an exchanger in connection with a heat pump.

2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par un tube à chaleur flexible préfabriqué en atelier en une seule pièce et livré sur un tambour mobile pour la mise en place sur le chantier. 2. Device according to claim 1 characterized by a flexible heat tube prefabricated in the workshop in one piece and delivered on a movable drum for the establishment on the site.

3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par un tube à chaleur constitué par le tube de forage lui-mtme. 3. Device according to claim 1 characterized by a heat tube formed by the drilling tube itself.

4. Dispositif selon les revendications 1 et 2,et 1 et 3,caractérisé par un tube à chaleur dont la partie supérieure située dans l'échangeur est munie d'ailettes parallèles au tube. 4. Device according to claims 1 and 2, and 1 and 3, characterized by a heat tube whose upper part located in the exchanger is provided with fins parallel to the tube.

5. Dispositif selon les revendicaticns 1 et 2,et 1 et 3,caractérisé par un tube à chaleur dont la partie supérieure située dans l'échangeur est coudée de façon à ce que l'extremité du tube située dans l'échangeur se trouve placé à l'horizontale.La partie horizon-tale du tube est munie d'ailettes perpendiculaires au tube. 5. Device according to claims 1 and 2, and 1 and 3, characterized by a heat tube whose upper part located in the exchanger is bent so that the end of the tube located in the exchanger is placed The horizontal part of the tube has fins perpendicular to the tube.

6. Dispositif selon les revendications 1,2;3,4 et 5 selon lesquelles un tube de raccordement se trouve branché à ltextremité supérieure du tube à chaleur pour permettre le remplissage et la mise en fonctionnement du tube à chaleur lors de son installation sur le chantier. 6. Device according to claims 1, 2, 3, 4 and 5, according to which a connection tube is connected to the upper end of the heat tube to allow filling and putting into operation of the heat tube when it is installed on the construction site.

7. Dispositif selon les revendications 192,3,4,5 et 6 selon lesqueiles l'échangeur est constitué par un manchon a' double enveloppe,isolé thermiquement,l'arrivée d'eau en provenance de la pompe à chaleur se faisant par un tube raccord branché sur l'enveloppe extérieure,la reprise d'eau s'effectuant par un tube raccord branché sur l'enveloppe intérieure. 7. Device according to claims 192, 3, 4, 5 and 6 according to which the exchanger is constituted by a sleeve with a double jacket, thermally insulated, the arrival of water from the heat pump being by a connection tube connected to the external envelope, the water intake being effected by a connection tube connected to the internal envelope.

8. Dispositif selon les revendications 1 ,2,3,4,5, et 6 selon lesquelles l'échangeur est constitué par un caisson thermiquement isolé,caractérisé par une prise d'air frais extérieure et une sortie d'air en direction de la pompe à chaleur7l'air étant réchauffé lors de son passage dans le caisson par la partie supérieure du tube à chaleur. 8. Device according to claims 1, 2,3,4,5, and 6 according to which the exchanger is constituted by a thermally insulated box, characterized by an external fresh air intake and an air outlet in the direction of the heat pump 7 the air being heated when it passes through the box through the upper part of the heat tube.

9. Dispositif selon les revendications 1,2,3,4,5;6 et 8 caractérisé par une prise d'air extérieur additionnelle et dont l'ouverture est regelée automatiquement en fonction de la température de l'atmosphère.L'air de la prise d'air additionelle se mélange à l'air déja réchauffé par le tube à chaleur.Le réglage automatique du débit par le volet permet ainsi de conserver une température de sortie d'air constante malgré les variations 9. Device according to claims 1,2,3,4,5; 6 and 8 characterized by an additional external air intake and the opening of which is automatically frozen as a function of the temperature of the atmosphere. the additional air intake mixes with the air already heated by the heat tube. The automatic adjustment of the flow rate by the flap allows to keep a constant air outlet temperature despite variations

climatiques.Le réglage automatique du volet selon la température Automatic adjustment of the shutter according to the temperature

est réalisée par uncable interne au caisson accroché d'une part is carried out by an internal cable on the box hung on the one hand

au volet de la prise d'air additionnelle,et d'autre part à un bouton fixé sur le caisson et réglable manuellement de l'extérieur. to the shutter of the additional air intake, and on the other hand to a button fixed on the box and manually adjustable from the outside.

Le rappel du volet est effectué soit par une masselotte,soit par un ressort de rappel.The shutter is returned either by a counterweight or by a return spring.

10. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le montage sur place d'un tube à chaleur pour être inséré dans le trou de forage. 10. Device according to claim 1 characterized by the on-site mounting of a heat tube to be inserted into the borehole.